太阳耀斑的研究和预报工作一直是各国天文工作者研究的重点.看似平静的太阳，实际上每时每刻都在发生剧烈的运动，太阳耀斑正是太阳最剧烈的活动.太阳耀斑突然爆发后，喷射出大量的可见光、X射线、伽马射线、紫外线、带电粒子等，将会破坏电离层，影响地球空间环境，干扰地球磁场和高空电离层，使它失去反射无线电电波的功能，造成短波无线通信、广播质量严重下降或完全中断，手机和互联网崩溃，全球定位导航系统失灵，电力系统瘫痪等，影响人们正常的生产和生活.伴随太阳耀斑喷射的高能粒子1~2天后到达地球附近，还有可能会引起一系列的地球物理现象，如电离层暴、地磁暴等，会给在轨运行的卫星、宇宙飞船上的设备、特别是出舱活动的航天员带来非常大的危害.为了能有效预报太阳耀斑以及利用太阳耀斑爆发所释放的能量，几十年来国内外天文学家一直都致力于研究与太阳耀斑相关的工作(栗志等，1999；王水和魏奉思，2007；朱岗崑等，2009).例如，近年来提出的基于序列数据的太阳耀斑预测方法以及利用GPS对太阳耀斑进行监测和预报(马宇倩等，2004；孔庆颜等，2010；李强等，2012).但这些方法都还存在着经济成本较高、数据处理繁琐等问题.因此，本文在了解VLF相位在极区的传播规律和南极中山站的电离层特征的基础上(贺龙松等，2000；沈长寿等，2005；王健等，2006；徐中华等，2006)，通过观测1991-02-25南极地区特大太阳耀斑爆发时，以及随后粒子沉降发生过程中VLF信号的相位变化情况，分析其相位变化与太阳耀斑爆发及粒子沉降的相关性，为直接预测太阳耀斑及粒子沉降事件发生的时间和级别提供依据.

1 观测原理和观测系统

VLF信号的频率在3~30 kHz之间，波长长，衰减低，稳定性好，因此在矿产资源探测、海底通讯、地震预测以及天文预报等方面都有广泛的应用.近几十年来，大量的研究资料表明，VLF信号相位对太阳活动辐射出的X射线、伽马射线、高能粒子十分敏感，因此，研究VLF信号相位变化与太阳耀斑之间相关性，对预报太阳耀斑，减小其对人类的破坏，具有非常重要的意义.VLF信号在地球表面和低电离层之间的波导内传播，通常用波导模(Budden，1961)的概念来解释，一般比较复杂，日出和日落时有其特殊的变化规律(Crombie，1966；Schoute-Vannneck，1974；牛有田等，2009；王虎等，2011)，但对于远距离的白天情况下，VLF信号只有一阶模，相位变化比较平稳.当太阳发生耀斑时，太阳突然喷射大量的X射线及高能带电粒子都会引起低电离层D层电离浓度突然增加，D层的导电率增大，D层对VLF信号的有效反射高度突然降低，VLF信号的相位突然超前，即发生了所谓的SPA现象.

图 1甚低频信号观测系统框图.单鞭天线接收由Omega甚低频无线电导航系统G台或E台发射的频率为10.2 kHz的VLF信号相位，送入到VLF信号锁相接收机.精度优于1×10^-11的5 MHz的正弦波由铷原子频标提供，作为接收机的本地标准频率.记录仪记录VLF信号锁相接收机输出的相位信号.系统测相精度为±1 μs.

图 1

Fig. 1

图 1 甚低频观测系统框图 Fig. 1 Block diagram of VLF observation system

图 2为1991-02-25及1991-02-26南极中山10.2 kHz VLF相位日变化曲线.实线表示1991-02-25有太阳耀斑爆发的Omega系统G台——南极中山站之间VLF信号相位变化实测曲线；虚线表示1991-02-26未有太阳耀斑发生的G台——中山站VLF信号相位正常变化实测曲线.

图 2

Fig. 2

图 2 1991-02-25及1991-02-26南极中山 10.2 kHz VLF相位日变化曲线 Fig. 2 VLF phase change curve of 10.2 kHz from February 25，1991 to February 26，1991 at Zhongshan station in Antarctic

表 1给出了1991-02-25特大太阳耀斑爆发时至1991-02-27粒子沉降发生后，这一时间段在南极中山站观测记录的VLF相位变化的部分数据.

表 1(Table 1)

表 1 1991-02-25至1991-02-27南极中山站观测VLF相位的相关数据表 Table 1 Observation data of VLF phase at Zhongshan station in Antarctic from February 25，1991 to February 27，1991 月 日 发射台 频率 太阳耀斑爆发 日 带电粒子沉降 备注 2 25 G 10.2 kHz VLF相位异常 27 VLF相位异常 L.T. 峰值时间 Δφ(μs) 开始时间 终止时间 Δφ(μs) 13:21 44 22:57 23:45 28

表 1 1991-02-25至1991-02-27南极中山站观测VLF相位的相关数据表 Table 1 Observation data of VLF phase at Zhongshan station in Antarctic from February 25，1991 to February 27，1991

太阳耀斑爆发后喷射出X射线以光速传播，经过8分18秒到达地球附近，即可引起SPA现象.从图 2中可以看出，1991-02-25发生太阳耀斑时VLF信号相位变化曲线与1991-02-26未发生太阳耀斑VLF信号的相位变化相比，在1991-02-25 13:09LT至16:00LT之间明显发生了相位超前现象.我们推断这次太阳耀斑从1991-02-25 13:09LT开始，到13:21LT达到峰值，说明这次太阳耀斑经过约12分钟的时间，对D层的电离达到高峰.之后，X射线流量逐渐减小，D层的电离率减小，离子的复合加快.到16:00LT，X射线流量恢复常态，D层中空气分子的电离和离子的复合又达到了新的动态平衡状态，即这次太阳耀斑对VLF信号传播的扰动基本上结束了，总共持续了大约3个小时.

根据1—8X射线的峰值流量一般可分为X、M、C、B等级别.设X射线峰值流量为F，则当1×10^-4≤F<1×10^-3 erg/(cm²·s)时，太阳耀斑为B级；当1×10^-3≤F<1×10^-2 erg/(cm²·s)时，太阳耀斑为C级；当1×10^-2≤F<1×10^-1 erg/(cm²·s)时，太阳耀斑为M级；当F≥1×10^-1 erg/(cm²·s)时，太阳耀斑为X级.在图 2中可以看到，1991-02-25 VLF相位变化量为44 μs(1 μs=4.9°)，文献(王素琴等，1988)中给出D层有效反射高度的降低Δh与VLF相位Δφ之间的关系式，修正后可计算出Δh=15.5 km.修正公式为

文献(刘万通，1987)给出了太阳X射线通量密度F与电离层降低高度Δh之间的拟合方程.根据文献中提出的方法，将数据再次整理拟合，可得出拟合方程为

由公式(2)计算出X射线的通量为1.1×10^-1erg/(cm²·s)，根据太阳耀斑的划分级别，推测此次太阳耀斑可达到X1.1级.从NGDC发布的报告中可查到，1991-02-25 8:00 UT~11:00 UT期间发生特大太阳耀斑，级别达到X1.2.由于地方时比世界时早5 h，LT≈UT+5，经过换算后发现，根据VLF信号相位异常推测出的太阳耀斑爆发时间和级别与卫星观测数据基本吻合.

粒子沉降事件大概太阳耀斑爆发后的1~2天到达地球附近.在持续的观测中发现，VLF信号相位在1991-02-26无异常变化，从1991-02-27 22:57LT开始，VLF相位又开始发生超前现象，直至23:45LT才恢复正常，历时48分钟，相位超前达幅度28 μs.我们推测在这段时间发生了粒子沉降事件.另外，从观测数据中看到，太阳耀斑爆发造成VLF相位发生异常的开始时间是1991-02-25 13:09LT，随之而来的粒子沉降事件使VLF相位异常超前的开始时间是1991-02-27 22:57LT，此期间共经历了57.8小时.日地距离大约为149597870千米，因此，可计算出太阳风速度为718.5 km/s.经对比发现，观测VLF相位来推测和计算的高能粒子沉降事件发生时间及太阳风速度，与NGDC发布的卫星观测结果吻合性较好.

4 结 论

以上分析表明，VLF相位对太阳耀斑爆发及高能粒子沉降非常敏感.太阳耀斑一旦发生，VLF相位便会出现异常超前现象，并且超前的幅度与太阳耀斑的级别之间存在直接关系.因此，通过观测VLF信号的相位变化情况，可以推测是否发生太阳耀斑.根据VLF相位变化的幅度，结合相应的拟合公式，能够推算太阳耀斑的级别.同样可以由VLF相位的变化来确定粒子沉降事件发生的时间及太阳风速度.本文中VLF相位异常的时间与卫星观测的数据还存在一定误差，所以仍然需要对观测系统、VLF信号频率等可能会给观测结果带来影响的因素进行调整，通过多次试验观测分析，使试验结果达到最佳.另外，电离层的降低高度和通量密度的拟合公式也还需几千次甚至上万次的观测数据来进行分析修正，只有这样才能使预测结果足够精确.如果这两个问题都能解决，则可以仅仅通过观测VLF信号的相位变化，来确定太阳耀斑级别，准确预测粒子沉降时间，使地球上居住的人类及时采取防范措施，把太阳耀斑爆发的带来的危害降到最低.